JWST-spektrometer forbedrer rødforskyvninger av fjerne galakser

NIRSpec-instrumentet på James Webb-romteleskopet (JWST) har avslørt at en galakse langt unna som tidligere ble antatt å ha en rekordstor rødforskyvning på 16.4 faktisk er mye nærmere Jorden. Studien har også bekreftet at noen andre objekter observert av JWST er blant de fjerneste galaksene som noen gang er sett.

Kosmologisk rødforskyvning er et mål på hvor mye lyset til en galakse har blitt strukket til lengre, rødere bølgelengder ved utvidelsen av universet. Jo høyere rødforskyvning, jo mer tid må lyset fra en galakse ha brukt på å bevege seg gjennom det ekspanderende kosmos. Dette betyr at vi ser objekter med høy rødforskyvning slik de dukket opp for veldig lenge siden – og at objektene er veldig langt unna.

Astronomer er veldig opptatt av å studere galakser med høy rødforskyvning fordi de gir et vindu inn i det tidlige universet. Faktisk støtter nyere observasjoner et bilde på at galakser i det tidlige universet var mer massive, mer utviklede og mer lysende enn det som tidligere var forutsagt.

Flere svake galakser

Sommeren 2022 viste JWSTs første dype undersøkelser av det fjerne universet flere svake galakser som ble anslått til å være de høyeste rødforskyvningsgalaksene noensinne.

Ett objekt kalles Maisies Galaxy som ble oppdaget i JWST-dataene av et team ledet av Steve Finkelstein ved University of Texas i Austin. Galaksen ble opprinnelig antatt å ha rødforskyvning 14.3, noe som ville ha plassert den bare 280 millioner år etter Big Bang. En annen kandidat, CEERS-93316, funnet av et team ledet av Callum Donnan ved University of Edinburgh, så ut til å ha en rødforskyvning på 16.4, som tilsvarer bare 250 millioner år etter Big Bang.

Til sammenligning var den fjerneste bekreftede galaksen kjent før lanseringen av JWST Gn-z11, som har en rødforskyvning på 11.6.

Reviderte rødforskyvninger

Disse tidlige JWST-målingene ble gjort ved hjelp av en fotometrisk teknikk, som måler den generelle rødheten til en galakse. Selv om denne teknikken kan brukes på svake, fjerne objekter, kan den bli påvirket av tilstedeværelsen av støv og er ikke så nøyaktig som å måle skiftingene til individuelle spektrallinjer. Nå har et team av astronomer brukt JWSTs nær-infrarøde spektrometer (NIRSpec) for å observere galaksene og har forbedret anslagene for rødforskyvning – med blandede resultater.

"Dessverre viste rødskift 16.4-kandidaten [CEERS-93316] seg å være lav rødforskyvning," sier Donnan, som er medlem av teamet ledet av Pablo Arrabal Haro fra NOIRLab i Arizona. Fordi NIRSpec-dataene umiddelbart ble offentliggjort uten proprietær tid for forskerne som foreslo observasjonene, måtte Haros team skrive papiret sitt på mindre enn tre dager for å unngå å bli slått til bunns.

I stedet for å være på 16.4, ble CEERS-93316 funnet å være en støvete galakse med en rødforskyvning på 4.9, noe som betyr at vi ser den slik den eksisterte for 12.5 milliarder år siden. Donnans team hadde tidligere trodd at de hadde en sterk sak for en rekordstor rødforskyvning, spesielt ettersom galaksen viste sterk blå og ultrafiolett stråling i hvilerammen (som den ser ut med rødforskyvningen fjernet).

Kombinasjonen av veldig sterke utslippslinjer kombinert med det faktum at en av disse linjene, med hydrogen-alfa-bølgelengden, var i en posisjon der tre av NIRSpecs filtre overlapper hverandre slik at utslippslinjen bidrar til alle tre, ga imidlertid feilaktig inntrykk at CEERS-93316 var en i seg selv lysende galakse med en mye høyere rødforskyvning.

Maisies Galaxy

Det var bedre nyheter i rødforskyvningsinnsatsen for Maisies Galaxy, som ble avslørt med en rødforskyvning på 11.4. Dette er fortsatt en veldig høy rødforskyvning og indikerer en galakse som er støvfri. Galaksen har også en relativt høy stjernedannelsesrate og en total stjernemasse på 250 millioner ganger solens masse. Denne massen hadde vokst over en periode på 30–120 millioner år før vi så Maisies Galaxy.

Ytterligere åtte galakser har nå også vist seg av NIRSpec å ha rødforskyvninger større enn 10. Den nåværende rekordholderen er JADES-GS-z13-0, som har en spektroskopisk bekreftet rødforskyvning på 13.2 og som vi ser slik den eksisterte bare 350 millioner år etter Big Bang.

Donnan håper fortsatt på at JWST vil være i stand til å oppdage galakser med spektroskopiske rødforskyvninger større enn 14. "Det er mulig, spesielt ved dypere bildebehandling," forteller han Fysikkens verden.

Støvproduksjon

Ikke at en godt studert galakse med en rødforskyvning på 4.9 er noe å snuse på. Å studere egenskapene til galakser som eksisterte da universet var litt over en milliard år gammelt er avgjørende for å forstå hvordan galakser har utviklet seg når det gjelder stjernedannelse. Dette kan utledes av mengden støv som påfølgende generasjoner av stjerner produserer – det samme støvet som får CEERS-93316 til å virke rødere.

"Vi må gjøre en mer detaljert analyse av egenskapene til CEERS-93316, men det ser ut til å være støvete," sier Donnan. "Vi må se nærmere på historien om stjernedannelsen hvis vi vil forstå hvordan den ble til."

I mellomtiden planlegges ytterligere observasjoner for galaksene med svært høy rødforskyvning som Maisies Galaxy ifølge Finkelstein, som også er involvert i NIRSpec-studien.

Dypere spektroskopi

"Neste trinn er definitivt dypere spektroskopi, for å undersøke nøyaktig hva som forårsaker at [Maisie's Galaxy] er så blå," sier han og refererer til fargen på hvilerammen. Den ledende teorien er at tidlige galakser som Maisies galakse hadde en høyere andel lysende, blå, massive stjerner sammenlignet med galakser i dag. Observasjoner med et av Keck 10-metersteleskopene på Hawaii er allerede i gang, og Finkelstein håper å følge opp med JWST i fremtiden.

"Vi vil se etter svakere rest-UV-utslippslinjefunksjoner, som er diagnostikk for ting inkludert tilstedeværelsen av veldig massive stjerner og også hvor intenst stjernelyset er fra stjernene vi ser," sier Finkelstein.

Til syvende og sist er funnene en påminnelse om behovet for spektroskopisk bekreftelse av galakserødforskyvninger, og at inntil slike målinger er gjort, bør vi ta påstander om rekordstore fotometriske rødforskyvninger med forsiktighet.

Forskningen er beskrevet i en fortrykk på arXiv.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/jwst-spectrometer-refines-redshifts-of-distant-galaxies/